Studentenprojekte (SS 2014)

Als Leistungsnachweis wird in diesem Modul ein kleines Projekt bearbeitet und bewertet (alternative Prüfungsform).

Die Projekte werden in der zweiten Hälfte des Semesters bearbeitet.
Das Thema kann eines aus der nachfolgenden Liste oder auch ein eigenes (zur Vorlesung passendes) Thema sein. Jeder Student wählt/sucht sich ein Thema und teilt uns dieses zu Beginn seiner Bearbeitungszeit mit. Ein Thema kann unabhängig voneinander auch von mehreren Studenten oder Teams bearbeitet werden.
Ein Projekt kann allein oder in einer Gruppe mit zwei (in Ausnahmen drei) Studenten bearbeitet werden.
Jedes Projekt muss aus den folgenden drei Teilen bestehen:
- (i) kleines Experiment und dazu passend:
- (ii) numerische Analyse sowie
- (iii) analytische Abschätzung.
Jeder Student hält über sein Projekt (oder seinen Projektanteil, falls Gruppenarbeit) einen Vortrag von 10 Minuten Dauer.
Jeder Student fertigt einen kleinen Bericht (oder Berichtsanteil, falls Gruppenarbeit) mit 8 bis 12 Seiten an. Der Bericht eines Zweier-Teams umfasst damit 16 bis 24 Seiten. Bitte unbedingt kennzeichnen wer was geschrieben hat.
Die Vorträge werden voraussichtlich (*) in der letzten Semesterwoche gehalten.
Die Berichte sind voraussichtlich (*) drei Wochen später fällig.
*) Genaueres wird im Terminplan so bald wie möglich bekannt gegeben.
Bei der Beurteilung achten wir auf die inhaltliche Qualität der Projektteile (Numerisches Modell, Experiment, analytische Abschätzung), auf eine kritische Diskussion der eigenen Methoden und Ergebnisse, eine knappe aber sinnvolle Einleitung sowie auf die Form der Präsentation und des schriftlichen Berichts.

Mögliche Projekt-Themen (SS 2014)

1. Eigenschwingungen bei n Freiheitsgraden

Ein geeignes schwingungsfähiges System soll entweder in der Umwelt gefunden oder aber gebaut werden. Das System soll mindestens 2 Freiheitsgrade und damit 2 Eigenschwingungen (Eigenvektoren u. Eigenfrequenzen) besitzen. Hinweis: Ein einzelner, elastisch aufgehängter, starrer Körper besitzt schon 6 FG, betrachtet man diesen in einer Ebene hat er immerhin noch 3 FG, wäre also grundsätzlich geeignet.

Experiment: System auf verschiedene Arten anstoßen und Schwingungen (Form u. Freq.) messen. Hinweis: Langsame Schwingungen können evtl. mit einem einfachen Handy-Video aufgezeichnet und ausgewertet werden; bei hochfrequenten Schwingungen kann man ggf. die hörbare Frequenz per Audiosignal (Tool: Audacity) aufnehmen und auswerten.
Simulation: Simulink oder SimMechanics oder Adams
Analytische Abschätzung: Gemäß Kap. 7.1

2. Kontinuums-Eigenschwingungen

Ein geeignes schwingungsfähiges System (Musikinstrument, Balken-, Platten-, Saitenschwingung, ...) soll entweder in der Umwelt gefunden oder aber gebaut werden. Wie wäre es mit einem Windspiel und den Eigenschwingungen (Klang) der daran aufgehängten Röhrchen?

Experiment: System auf verschiedene Arten anstoßen und Schwingungen (Form u. Freq.) messen. Hinweis: Langsame Schwingungen können evtl. mit einem einfachen Handy-Video aufgezeichnet und ausgewertet werden; bei hochfrequenten Schwingungen kann man ggf. die hörbare Frequenz per Audiosignal (Tool: z.B. Audacity) aufnehmen und auswerten. Ggf. könnte schnelle Eigenschwingungsformen auch mit einer Stroboskoplampe sichtbar machen (Lehrmittelsammlung Physik).
Simulation: Ansys (Modalanalyse)
Analytische Abschätzung: Gemäß Kap. 8

3. Tischkicker-Eigenfrequenzen

Die figurenbesetzten Kicker-Stangen weisen hörbar unterschiedliche Eigenfrequenzen auf, wenn man eine Figur oder Stange anklopft. Diese Eigenschwingungen sollen nach Form und Frequenz untersuchte werden.

Experiment: Anstoßen, akustische Aufzeichnung, Frequenzanalyse.
Simulation: Ansys (Modalanalyse).
Analytische Abschätzung: Mehrmassen Torsionsschwingung, Balkenbiegeschwingung mit zusätzlichen Einzelmassen, vgl. Kap. 7.

4. Straßenverkehrsdynamik

Die Dynamik von Fahrzeugkolonnen auf einer Straße soll simuliert werden. Dabei sollen die Fahrzeuge individuell beschrieben und betrachtet werden. Die fahrzeugeigenen Ziele (Wunschgeschwindigkeit) konkurieren mit mit Beziehungen zwischen den benachbarten Fahrzeugen (Mindestabstand) und mit Beziehungen zur Umgebung (lokale Engstelle, Geschwindigkeitsbeschränkung). Je nach Fahrzeugaufkommen und sollten Phänomene wie Stop-and-Go, Drückstöße, optimale Geschwindigkeit, usw. beobachtbar sein.

Experimentelle Daten müssen aus der Erfahrung bzw. Internetrecherche übernommen werden.
Simulation mit Animation mit Hilfe von z.B. Matlab oder Simulink.
Ggf. lassen sich auch analytische Abschätzungen durchführen (z.B. zur optimalen Geschwindigkeit für einen maximalen Durchsatz).

5. Umströmung von Segeln

Segelyachten sind häufig mit Vorsegel (Fock oder Genua) und Großsegel (mit Baum) ausgestattet, man spricht von einer Slup-Takelung. Für die Umströmung dieser beiden Segel soll ein einfaches 2D Modell (bei CFX: pseudo 2D = dünne horizontale Schicht) erstellt und analysiert werden. Für die Segel sollen zunächst vereinfachend starre Körper (Schalen bzw. in 2D gekrümmte Linien) angenommen werden. Das Modell sollte es ermöglichen, Antriebskraft und Querkraft evtl. auch Giermoment auf das Boot zu berechnen, um daraus für einen gegebenen Wind nach Stärke und Richtung (letzteres bzgl. der Bootslängsachse) optimale Stellungungen von Vor- und Großsegel zu ermitteln, was in der Praxis nicht trival ist, da die Segelstellungen der beiden Segel sich gegenseitig stark beeinflussen (Stichwort: Düsenwirkung zwischen den Segeln).

Experimentelle Daten müssen aus der Erfahrung bzw. Internetrecherche übernommen werden, ggf. kann ein Modell-Segelboot, ein Gebläse und ein Kraftmesssystem zur Verfügung gestellt werden.
Simulation z.B. mit Ansys CFX oder Ansys Fluent.
Ggf. lassen sich auch analytische Abschätzungen durchführen (z.B. Auftriebskräfte aus dem Impulssatz).

6. Stick-Bomb-Kettenreaktion

Im Internet findet man Anleitungen und Videos zum Bau und zur Dynamik von Kettenreaktionen von auf dem Boden ausgelegten Holzstäbchen-Ketten (Stichworte: "stick bomb", "kinetic king"). Verwendet werden z.B. Holzstäbchen (Sticks), die Ärzte sonst zur Rachenuntersuchung einsetzen und die leicht in Apotheken erworben werden können. Die Ketten werden nach einem sich wiederholenden Muster so gebaut, dass die Stäbchen unter Spannung stehen. An einem Ende der Kette kann die Reaktion ausgelöst werden und verbreitet sich mit endlicher Geschwindigkeit durch die Kette. Kann man mit einer numerischen Simulation diese Kettenreaktion beschreiben? Wie gut stimmen Flugbahnen und Wellengeschwindigkeit mit dem Experiment überein?

Experiment: ... ist klar!
Simulation: Mit z.B. Abaqus Expicit soll ein relativ kurzer aber möglichst representativer Teil einer solchen Kette modelliert und dessen Dynamik nach Auslösung simuliert werden.
Kann man z.B. die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit analytisch abschätzen?